基于物联网的智慧教室综合解决方案

目录

第一章 建设背景... 1

第二章 方案概述... 3

第三章 需求分析... 4

3.1远程智能控制需求... 4

3.2无线物联网管理需求... 4

3.3教室管理服务需求... 5

第四章 建设目标... 6

4.1总体目标... 6

4.2本期目标... 6

第五章 总体设计... 6

5.1总体架构设计... 7

5.1.1智慧教室系统网络架构设计... 9

5.1.2智慧教室系统功能设计... 11

5.2设计原则... 12

5.3关键技术... 13

5.3.1万物互联物理网技术... 13

5.3.2软件云原生架构技术... 14

5.3.2.1容器技术... 14

5.3.2.2微服务... 14

第六章 建设内容... 15

6.1.1.1系统构架设计... 15

6.1.3运维管控系统... 20

6.1.3.1系统构架... 20

6.1.3.2系统功能... 20

第七章 硬件设备... 25

7.1.1 中央控制主机... 25

7.1.1 液晶触摸控制屏... 26

7.1.2 LORA环境控制网关... 26

7.1.3 LORA灯光触控面板... 26

7.1.4  LORA窗帘触控面板... 27

7.1.5  LORA空调触控面板... 27

7.1.6  LORA 窗帘控制器... 27

7.1.7 电源控制器... 27

7.1.8  LORA光照度传感器... 28

7.1.9  LORA 空调控制器... 28

第八章 预期建设效益... 28

8.1建设支撑效果... 29

8.2服务场景效果... 29

8.2.1上课前... 29

8.2.1.1自动开启教室门... 29

8.2.1.3自动开启设备... 30

8.2.3下课后... 30

8.2.3.1一键下课... 30

8.3建设效益... 30

8.3.1经济效益... 30

8.3.2社会效益... 31

第九章 售后服务... 32

9.1服务流程... 32

9.1.1 售前服务... 32

9.1.2 安装调试... 32

9.2 产品保修... 33

9.3 技术支持... 33

9.4 技术培训... 33

第一章 建设背景

目前普遍的学校传统的多媒体教室建设还存在着大量问题，如设备的投入重视硬件而轻软件，重视设备的好坏而不重视内容的呈现，重视建设的便利而轻视应用的现状。多媒体教室的传统建设大多是将一系列硬件进行简单的拼装而成，而忽略了系统的建设，设备的组成也基本上是由一台电脑、功放、投影仪、多媒体中控、幕布、和音响系统等。传统录播教室因为都是单间教室设计，数据无法实现自动上传和汇总，很大程度上降低了系统的使用效率，无法达到真正的价值。如果建设传统的教室数量在增多的话，而多媒体教室的弊端也日益严重的显现出来，表现主要在：设备种类过多，线路复杂化的连接将导致传统多媒体教室用户操作复杂、安装维护复杂，故障率较高等问题。普通PC机加采集卡的设计方案使得设备的稳定性和可靠性大大降低。普通电脑Windows操作系统，容易感染各种计算机病毒，还具有启动速度缓慢等缺陷，对于日常的教学和维护工作造成了极大的压力。通用性设备还有个比较严重的问题，容易遭到偷窃，管理上也带来了很大困难。

国家教育部为深入贯彻落实中央有关教育信息化的战略部署，完成《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》确定的教育信息化目标任务、全面深入推进“十三五”教育信息化工作，在《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》中再次强调了积极推动管理平台与资源平台的深入应用与协同发展，不断扩大优质教育资源覆盖面，全面推进“优质资源班班通”、继续推进“一师一优课，一课一名师”活动，鼓励教师利用信息技术创新教学模式，推动形成“课堂用、经常用、普遍用”的信息化教学新常态。

同时在2018年全国教育信息化工作会议上，教育部副部长杜占元做了题为《加快融合创新发展让教育信息化2.0变为现实》的主题报告，报告中明确了坚持“育人为本、融合创新、系统推进、引领发展”的基本原则，要准确把握 “三全两高一大”的目标任务，深刻理解 “三个新模式”的内涵本质。同时提出“资源普及”、“空间覆盖”、“网络扶智”、“百区千校万课”等教育信息化建设任务，强调树立典型：区域典型，1000普教+300职校+100高校做标杆，设标准从一师一优课，信息化大赛课程，精品课程，开放慕课中优中选优。

为更好地响应国家教育部关于教育信息化发展工作，快思捷作为致力于互动教学的新型方案提供商，提供《AI互动教学解决方案》，解决关于校园大规模直播授课、优质视频资源建设、区域教学资源全覆盖、互动课堂网络扶贫等需求。通过互动课堂应用系统的建设，所有学生能随时随地的观看老师的上课过程，并与老师进行在线互动。校领导将能监控到每一个教师的教学质量及每一个班级的活动状况，促进教师的教学水平与学校学风的提升。

第二章 方案概述

智慧教室最早是由罗纳德•雷西尼奥在1988年提出的Smart．Class．room。受当时理论发展制约和技术的不成熟，并未引起社会关注。2008年随着“智慧地球”概念的提出，英美学者开始了对智慧教室的研究。受美国政府支持，智慧教室很快在美国取得阶段性成果。世界各国因教育理念不同和技术条件的差异，对智慧教室的设计和应用也不尽相同。近几年来，随着我国各学校对教学理念、教学模式的日益创新，对新的教学环境也提出了新的需求，因此对智慧教室的建设就成为了各大学校迫切的需求。

快思捷智慧教室解决方案总体设计是从学校管理、教学需求研究出发。从教室管理维护、日常使用、翻转课堂、在线学习等多层面考虑，从云计算技术、物联网、软硬件结合、互联网等基础上进行整体设计和规划，避免传统多媒体教室信息孤岛式的建设。智慧教室的建设完成后，每一间教室将是整个系统的一个信息节点，通过智慧教室服务软件与校园网进行大量有效的数据交换。教室每个终端可以从教学资源管控系统获取大量丰富的应用和其它教学资源内容；通过运维管控系统也可通过控制每间教室的设备，从中了解每一间教室终端处所采集的教学行程数据，为系统化进程数据的教学进行了研究与分析，并提供大量基础数据，支持集成到智慧校园大数据中心，为学校的管理、教学、决策提供帮助。整体方案设计，采取模块化设计，支持在学校原有多媒体教室的基础上进行不断的升级和叠加，最终完善每间教室的功能，使之成为功能完备的标准化智慧教室。

因此快思捷智慧教室解决方案包含了教学互动系统、教学督导系统、教学资源管理系统、运维管控系统和刀片式智慧融合主机体系下的物理网等多环境感知终端及设备。本方案主要从应用层面，提供智慧教学软件和智能终端设备；智慧教学软件实现：如教师上传课件、供学生线上线下学习；提供考勤系统，提供交互学习功能等。智能终端设备解决：如座椅感知学生的身体状态而及时自动调整；传感器感知学习者的学习状态和情感变化，进而给教师发出信号，老师亦可及时了解上课效果。总之，智慧教室整体方案设计是为落实学校创新性教育理念，实现学生全面学习，提高教师教学质量的智慧校园信息化建设工程。

第三章 需求分析

所谓智慧教室，就是能够体现教室的智慧功能的一种增强型教室，采用各种先进的软硬件设施，对教室进行智能化管理，实现资源的轻松访问和获取，为智慧教学提供技术依托。基于物联网技术的学校智慧教室=教室+物联网+智慧化设备+智慧化应用系统，实现教职工、学生对智慧教室各项教学资源的综合感知和访问，具体来说，基于物联网技术的学校智慧教室的需求如下：

3.1远程智能控制需求

在每个智慧教室内安装传感器设备，能够对智慧教室内的温度、湿度、光照强度等信息进行感知。另外，教职工也能够对智慧教室的门窗、灯光、空调、电源等设备进行远程智能控制。并能够对各设备的工作时间进行智能化控制，比如，可以设置智慧教室中的电源在早上7点到晚上10点之间能够正常通电工作，而门禁系统只有具备相应权限的教职工和学生在规定的上课或者自习时间内刷卡进入，开关门的时间和人员的详细信息都会在后台实时记录，从而实现对教职工和学生的智能考勤。同时，为了满足上课需要，也可以远程智能控制多媒体教学一体机的开关。

3.2无线物联网管理需求

物联网系统由智能灯光控制系统，智能风扇控制系统，智能多媒体设备控制系统；服务器平台，连接在局域网路由器下，是实现智能手机、平板电脑以及电脑远程控制的中心；控制系统控制方式：本地控制指通过安装在本地的墙面开关实现照明控制和风扇的控制。

n  该控制方式不受系统影响，方便实用，符合传统的控制方式。定时控制：到了设定的时间，教室的电灯自动点亮，风扇自动打开，教学一体机自动打开。支持教室设备的批量控制功能。

n  用户管理模块，包括用户管理：用户列表支持用户的新增、删除、修改、查询的功能。设备管理，包括智能网关管理、终端节点控制器管理。支持查看智能网关的在线离线状态查询。支持对智能网关的基本信息进行修改。支持对灯具设备的场景名称、场景颜色、场景色温、场景亮度进行设定。

n  日志管理，包括日志实时监控、日志实时监控用于查看用户下智能网关与终端设备产生的日志信息，监控智能网关与终端设备的在线与离线状态。错误日志管理支持分时段、分日志类型、分智能网关以图表形式展现日志。

n  报表功能，支持按照不同的微环境信息和不同的能网关生成图表形式的报表

n  智能网关负责各智能硬件和云平台之间的联动。智能网关具备无线通讯模组。支持多个物联网节点控制器之间的互联互通。与其他受控设备间采用无线通信。网关易维护，支持固件版本在线升级，支持远程配置参数。

n  网关智能化，实时上传运行状态包括到云平台，包括上线、离线状态等。

n  控制模式：场景控制：上课模式、下课模式；模式控制：定义场景或模式：自定义名称管理灯光开关、风扇、一体机开关。

3.3教室管理服务需求

教职工和学生都能够借助于台式机、笔记本、智能手机等不同设备访问智慧教室。教学管理人员能够对智慧教室内各种设备进行远程访问和监控，学生能够对智慧教室内的人数情况进行访问以决定到哪个智慧教室上自习。智慧教室内的实时工作动态都能够被采集并存储在服务器中，相关人员可以随时查看。

第四章 建设目标

4.1总体目标

智慧教室是一种新型的智慧学习环境，是在物联网、云计算和大数据等新兴技术推动下的教室信息化建设新形态。它是智慧校园实现物理空间和信息空间有机衔接，使任何人、任何时间在任何地点都能便捷地获取资源和服务的主要内容，是学校实施教学的的主要场所，智慧教室的建设能将先进智能的技术融入课堂之中，实现对传统课堂的改造和革新。智慧教室中，学生们可以享受到便捷而人性化的教学功能，体验“互动、翻转课堂”的魅力，它足以满足师生们对创新课堂的全部想象。智慧教室的建设，目前也是各大学校对智慧校园信息化体系中的首选。因此智慧教室的建设目标主要是综合利用高新科技成果，建立方便师生进行交互、更加灵活高效、能够支持多种教学模式的教学空间。通过本地教室的触摸屏可编程控制面板实现所有教室设备的电源、信号和扩音，也能通过远程集控管理系统，实现对所有教室的远程控制，进行资产管理。

4.2本期目标

针对以上需求背景，结合现在高校普遍的多媒体教室的实际情况，快思捷提出采用物联网智能管理应用方案。该方案计划实现如下目标：

1．对教学设备的管控

通过物联网智能网络管理终端对教室内的所有教学设备的管控，以达到上课时一键开机，所有设备全部启动，例如：电源，电脑，大屏，灯光等。下课时一键关机所有的设备全部关机，包括关闭电源等。相比传统的教室，需要将设备逐一的手动开启。相比传统的教学和设备更加方便，快捷，实用。

第五章 总体设计

快思捷智慧教室主要是通过远程主控软件对教室设备进行控制和管理，采用智能物联网控制，将空调、灯光、门禁系统、多媒体电源等通过编码控制器发送到运维管控系统，这样管理人员就可以在控制管理中心监控任意的教室设备运行状态，并且还可以实现远程实时监控和管理操作。还支持添加高清编码器，通过智能化的导播系统将教学视频、VGA信号进行采集编码，并上传到教学资源系统上，通过灵活调整教室环境的布置，实现更注重于互动的教学模式，使学生能够更好地投入到课堂的学习氛围中来。

5.1.1智慧教室系统网络架构设计

  基于物联网的智慧教室系统终端能够通过多重网络来进行数据的交互，依据各个模块作用和功能的差异性，设置展示模块、数据仓储模块、数据传输模块以及数据采集等模块。为了保证智慧教室内各个基础设施都能够正常地和网进行通信，集成无线wiFi模块，可以选择型拓扑结构，实现分布式网络传输。网关与有线校网互联互通，对于智慧教室的教务管理、智能刷卡、远程监控、设备管理等，需要管理员预先设置相应的权限，并且实现和局域网之间的连接，同时，将数据服务器发送并存储．相火数据在无线访问点的作用下呵以向智慧教室内的教学设备进行传输。

该架构从高到低分为5层：终端层、应用层、服务层、网络通信层、基础设施层，下层为上层提供服务和接口，而上层则在下层的基础上实现相应的功能，各层功能分别如下所述：

终端层

台式机、笔记本、监控终端等不同的终端设备按照不同用户的需求，进行相应的操作。教师、学生、教学管理人员等不同类型的用户都能够利用各种终端设备，随时随地通过无线网络或者有线网络对智慧教室中的各种教学资源进行访问，并对相关的教学工作进行执行。

应用层

包括智慧教室应用系统集成系统和智慧教室设备远程管理控制系统，将多教学互动系统、教学督导系统、教学资源管理系统、运维管控系统等集成起来，实现单点登录，而且能够远程管理和控制各种智慧教室设备的状态，对智慧教室设备的使用情况和教室内人数进行统计，方便用户使用。

服务层

该层通过数据挖掘、大数据分析处理、传感数据采集、云计算等各种技术的利用为上层提供服务，对智慧教室的正常工作过程中涉及到的各种数据进行计算、存储、分析、处理等工作，保障智慧教室各项教学应用工作的顺利进行，并确保智慧教室的数据安全性。

网络通信层

该层为智慧教室的正常网络通信提供保障，实现各类数据的可靠传输，保证智慧教室各个层次之间能够达到高质量的网络通信，为智慧教室的各项教学管理服务等工作奠定坚实的网络通信基础。

基础设施层

在基础设施层，必须结合实际的工作要求，科学有效地进行传感器种类的选择。该层是智慧教室的最底层，有智慧教室的服务器、大型机等基础设施，也有智慧教室的空调、换气扇、电源、多媒体网络中控器、电动黑板擦、电动门窗、电动窗帘、摄像头、无线访问点等教学管理设备，还有生物特征读取器和智能卡读卡器。其中，生物特征读取器等各种传感器设备能够对智慧教室内的环境变化进行智能感知，对智慧教窜内的温度、湿度、光照强度、灯光亮度等进行远程智能挖制，使环境温度能够智能渊节智能卡读卡器能够对用户所持有的智能卡中的信息进行读取，实现教室固定资产管理。

5.1总体架构设计

为了满足智慧教室用户的个性化需求，在进行基于物联网技术的学校智慧教室架构的设计时，采用分层架构的思想，提供一定的应用接口和终端交互接口，以保证功能的多样性和将来的可扩展性。基于物联网技术的学校智慧教室架构，如图所示：

通过对学校教室的实际需求进行分析，运用三层网络构架来对智慧教室系统进行架构，具体如下：

无线数据节点

通过设置的传感器来进行相关数据的收集以及传输，主要数据包括教室内部的温度、湿度、污染物浓度以及光照强度等。

无线数据传输网络

设置互联网、局域网来进行数据的传输。

数据路由器

系统中的数据来源于在教室内分布的各个传感器，数据路由器最重要的功能就是为这些不同来源的数据供给统一的接口，将数据集中的传输到系统的数据处理模块，在数据处理模块将会对收集到的数据进行统一的分析以及处理，最终形成控制指令。

5.1.2智慧教室系统功能设计

教学智能管理

教学智能管理模块包括多媒体教学设备、无线话筒、问答器以及与之相适应的控制软件。多媒体教学设备的引入改变了以往的粉笔+黑板的落后教学方式，教师能够插入u盘播放事先设计好的生动形象的多媒体教学课件，在教学过程中能够随时操作计算机调整教学内容，取得非常良好的师生互动效果一。同时，该模块还设计了智能考勤功能。由刷机设备以及相应的软件构成，对于进入智慧教室的师生进行身份验证以及考勤管理，并且防止外来用户的进入。另外，该模块还设计了液晶显示模块。液晶显示模块由液晶面板构成，部署在智慧教室投影幕布的上方，主要功能就是展示正在进行上课的课程名称、上课教师、上课专业、上课班级、学生出勤情况以及传感器所采集到的教室环境数据，这些设施在智慧教室系统的控制下能够在一定程度上取代黑板和粉笔，降低教师和学生受到的粉尘危害，有助于其身体的健康；另外该系统的运用还能够使教师在课堂教学中摆脱黑板的制约，可以在任何区域来开展教学，增强教师和学生之间的交互性。有助于课堂教学效果的进一步提升。

室内环境感知

室内环境感知模块是智慧教室的核心模块，主要包含传感器、数据传输以及数据处理技术，为系统的运转来提供数据支撑。具体来讲，就是传感器收集到的相关数据经过网络传输到系统的数据处理中心，然后控制中心发出指令来实现对各种设备的智能化控制。空调或换气扇智能化调整优秀的教学质量需要良好的教室室内环境，所以通过各种各种类型的传感器，就可以实时监测智慧教室内的温度、湿度、光照强度、灯光亮度等，并且借助于无线wi-Fi、Zigbee等技术，实现对于智慧教室环境的控制和调节。这一模块具体涵盖了以下两个方面的功能：一是智慧教室环境数据监控功能。利用传感器以及相应的软件系统，实现智慧教室环境数据监控。二是智慧教室环境数据智能调节。结合采集到的环境数据，实现对于环境温湿度等各项指标的智能调节。同时实现质量评价及应急预警。利大数据处理技术及数据挖掘算法，智能评价教室环境，并确定出合适的应急预警阈值，这N值必须与不同季节、不同天气的教室环境动态匹配，因此，为了准确评价教室环境，应急预警阈值是动态变化的。

5.2设计原则

建设原则主要是从当前的教学需求出发，实现多媒体共享、多终端共同学习、跨端互动、可视化管理的功能，提高智慧教室的实用性和互动性、易用性和可靠性、先进性和易维护性及易拓展性。

l  实用性与互动性

实用性主要体现在无线协作的系统支持三方移动终端囊括微软、安卓、苹果。互动性主要体现在可以不受时间空间的限制，提高学生学习的主动性，鼓励学生参与到课堂的学习交流，讨论分享中去。

l  易用性与可靠性

智慧教室的互动主要采取硬件的方式，能够实现学校现有系统之间的无缝连接，只要连接上就能加入到教学互动环节。

l  先进性与易维护性

智慧教室采用硬件模块化、软件开源化的方式，能够实现与其他设备对接，发掘更多的应用功能。为实现跨教室的互动，通过增加硬件设施和无线协作系统。智慧教室的稳定性更高，出现问题时只用更换设备，而不需要专业的技术人员来解决。

l  易扩展性

智慧教室在进行升级换代的过程中可以减少浪费，只用添加软件模板可以满足不同的管理要求，不需要更换设备，具有很强的扩展性。

5.3关键技术

5.3.1万物互联物理网技术

物联网（InternetofThings，IoT）实质上是利用互联网实现“万物互联”，即“人-人”、“人-物”、“物-物”进行信息交互的信息物力系统（Cyber-PhysicsSystem，CPS）。基于物联网结构，智能教室架构分别为：感知层、网络层、应用层，另外为兼容各类终端设备接入，在物联网三层架构上添加终端接入层，各层的部署具体如下：

感知层主要负责感知教室环境设备的数据信息，基于物理网设计，感知层相关技术部署于每间智能教室内，包括各种无线传感网络感知节点、网络摄像头感知节点、硬件设备感知节点、射频识别感知节点、智能设备电子标签感知节点，实时采集教室生态环境、多媒体设备状态等数据信息，与网络层、应用层动态交互。

网络层是物联网的大脑及神经中枢，主要负责智慧教室数据信息的传递和处理，网络层基于校园网设施，在每个智慧教室部署智能网关，利用通信组网技术包括有线技术（如以太网、RS-485总线等）和无线技术（LoRa、WiFi、4G等），把教室各种硬件设施设备通过组网技术连接，形成一个联通的网络系统，基于智能网关或无线路由器把感知层采集的数据传输处理，实现智能教室信息互联互通、设备联动控制等。

应用层通过对感知层的数据信息进行处理并应用，实现智能教室的信息展示、信息交互并构建智能教学服务应用系统，如教室门禁考勤系统、硬件设备控制系统、教室环境监测系统、移动教育云系统及智能教学管理系统。

终端接入层是物联网人机交互的接口，基于用户（如教师、学生或校方）的需求，用户可基于PC端及移动终端（智能手机或平板电脑）提供的可视化界面，对教室进行远程线上控制或选择控制策略。

5.3.2软件云原生架构技术

5.3.2.1容器技术

容器是一种轻量级的虚拟化技术，能够在单一主机上提供多个隔离的操作系统环境，通过一系列的namespace进行进程隔离，每个容器都有唯一的可写文件系统和资源配额。容器技术分为运行时和编排两层，运行时负责容器的计算、存储、网络等，编排层负责容器集群的调度、服务发现和资源管理。

容器服务提供高性能可伸缩的容器应用管理服务，容器化应用的生命周期管理可以提供多种应用发布方式。容器服务简化了容器管理集群的搭建工作，整合了调度、配置、存储、网络等，打造云端最佳容器运行环境。使用容器技术，用户可以将微服务及其所需的所有配置、依赖关系和环境变量打包成容器镜像，轻松移植到全新的服务器节点上，而无需重新配置环境，这使得容器成为部署单个微服务的最理想工具。

5.3.2.2微服务

微服务是指将大型复杂软件应用拆分成多个简单应用，每个简单应用描述着一个小业务，系统中的各个简单应用可被独立部署。各个微服务之间是松耦合的，可以独立地对每个服务进行升级、部署、扩展和重新启动等流程，从而实现频繁更新而不会对最终用户产生任何影响。相比传统的单体架构，微服务架构具有降低系统复杂度、独立部署、独立扩展、跨语言编程等特点。

与此同时，架构的灵活、开发的敏捷同时带来了运维的挑战。微服务框架作为微服务开发和运行治理的必要支撑，帮助实现微服务注册、发现、治理等能力，目前，在微服务技术架构实践中主要有侵入式架构和非侵入式架构两种实现形式。侵入式架构是指服务框架嵌入程序代码，实现类的继承，其中以SpringCloud最为常见。非侵入式架构则是以代理的形式，与应用程序部署在一起，接管应用程序的网络且对其透明，以服务网格为代表。

第六章 建设内容

………………略（需要详细方案请联系：13760803031李经理）